Grafen Beläggningar för biomedicinska implantat
Summary
Grafen har potential som ett beläggningsmaterial för biomedicinska implantat. I denna studie visar vi en metod för beläggning av nitinol legeringar med nanometer tjocka lager av grafen och hur grafen kan påverka implantatets svar.
Abstract
Atomically slät grafen som en ytbeläggning har potential att förbättra implantat egenskaper. Detta visar en metod för beläggning av nitinol legeringar med nanometer tjocka lager av grafen för applikationer som en stent material. Grafen odlades på koppar substrat via kemisk ångavsättning och överfördes sedan på nitinol substrat. För att förstå hur grafen beläggningen kan förändra biologisk respons var cellviabiliteten av endotelceller från råtta aorta celler och råtta aorta glatta muskelceller undersökas. Dessutom var effekten av grafen-beläggningar på celladhesion och morfologi undersöktes med fluorescerande konfokalmikroskopi. Celler färgades för aktin och kärnor, och det fanns märkbara skillnader mellan orörda nitinol prover jämfört med grafen-belagda proverna. Totalt aktin uttryck från glatta råtta aorta muskelceller hittades med western blöt. Proteinadsorption egenskaper, en indikator för potentiella trombogenicitet, were bestämdes för serumalbumin och fibrinogen med gelelektrofores. Dessutom var överföringen av laddningen från fibrinogen till substrat härledas med Ramanspektroskopi. Det visade sig att grafen beläggning på nitinol substrat träffade de funktionella kraven på en stent material och förbättrade biologiska svar jämfört med obelagd nitinol. Således är grafen-belagd nitinol en livskraftig kandidat för en stent material.
Introduction
De senaste tre decennierna har bevittnat upptäckten av nya material baserade behandlingar och apparater för sjukdomar behandlingar och diagnostik. Nya legeringar material såsom nitinol (NiTi) och rostfritt stål används ofta i biomedicinsk implantat tillverkning på grund av deras överlägsna mekaniska egenskaper. 1-3 Men många utmaningar återstår på grund av exogent material cytotoxicitet, bio-och hemo-kompatibilitet. Den metalliska naturen hos dessa legeringar resulterar i dålig bio-och hemokompatibilitet grund metall urlakning, brist på celladhesion, proliferation och trombos när det kommer i kontakt med strömmande blod (såsom katetrar, blodkärlens transplantat, vaskulära stentar, konstgjorda hjärtklaffar osv.). ett, 4, 5 Interaktionen av proteiner eller levande celler med implantatytan kan leda till en stark immunologisk respons och efterföljande kaskad av biokemiska reaktioner kan påverka enhetens funktion. Därför är det pertinende att uppnå kontroll över samspelet mellan biomedicinska implantat och dess omgivande biologiska miljö. Ytmodifiering används ofta för att minska eller förhindra de negativa fysiologiska respons som härrör från implantatmaterialet. En idealisk ytbeläggning förväntas ha hög vidhäftningsstyrka, kemisk inerthet, hög ytjämnhet och goda hemö-och biokompatibilitet. Tidigare har många material inklusive diamantliknande kol (DLC), SiC, TiN, TiO 2 och många polymera material testats som biokompatibla beläggningar implantatytan. 1, 6-23 Dessa material är fortfarande inte uppfylla alla de funktionella kriterierna för en lämplig implantat ytbeläggning.
Upptäckten av atom tjockt lager av sp 2 kol, känd som grafen, har öppnat dörrarna för utveckling av nya multifunktionella material. Grafen väntas bli en idealisk kandidat för implantat ytbeläggning eftersomär kemiskt inert, Atomically smidig och mycket slitstark. I detta brev undersöker vi livskraft grafen som en ytbeläggning för biomedicinska implantat. Våra studier visar att grafen belagda nitinol (Gr-NiTi) uppfyller alla de funktionella kriterier, och dessutom stöder utmärkt glatt muskulatur och endotelcellstillväxt leder till bättre cellproliferation. Vi finner också att den serumalbumin adsorption på Gr-NiTi är högre än fibrinogen. Det är viktigt att (i) våra detaljerade spektroskopiska mätningar bekräftade bristen på laddningsöverföring mellan grafén och fibrinogen tyder på att grafen beläggning hämmar trombocytaggregering av implantat, (ii) grafen beläggningar inte uppvisar någon signifikant in vitro-toxicitet för endotelceller och glatta linjer muskelcell bekräftar deras biokompatibilitet, och (iii) grafen beläggningar är kemiskt inerta, hållbar och ogenomtränglig i strömmande blod miljö. Dessa hemo-och biokompatibla egenskaper, tillsammans med hög strength, kemisk inerthet och hållbarhet, gör grafen beläggningar som en idealisk ytbeläggning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Biokompatibilitet och cytotoxicitet: kemisk förångningsdeposition (CVD) gav polykristallina grafen prover som härmade Cu kristallkorn, som visas i figur 1a. Vi använde Raman-spektroskopi för att bekräfta närvaron av monoskiktet (få skikt) grafen på 1 sccm (4 sccm) prover (se figur 1b). Uppenbarligen 1 sccm (4 sccm) prover uppvisar intensiv (relativt svagare) G bandet indikerar monolager (få skikt) grafen. Figur 1c visar en atomkraftsmikroskopi (AFM) b…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Materials
| Reagent | |||
| Dulbecco’s Modified Eagle Medium | ATCC | 30-2002 | |
| Thiazolyl blue tetrazolium bromide | Sigma-Aldrich | M2128 | |
| CellTiter 96 Aqueous One solution cell proliferation assay (MTS) | Promega | G3582 | |
| Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418 | |
| 36.5% formaldehyde | Sigma-Aldrich | F8775 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Alexafluor 488 phalloidin | Life Technologies | A12379 | |
| VECTASHIELD mounting medium with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | |
| Human serum albumin | Sigma-Aldrich | A9511 | |
| Human fibrinogen | |||
| Tris/Glycine/SDS | Bio-Rad | 161-0732 | |
| Ready Gel Tris-HCl Gel | Bio-Rad | 161-1158 | |
| Acetic acid | Sigma-Aldrich | 45726 | |
| SYPRO Red | Life Technologies | S-6653 | |
| Protein low BCA assay | Lamda Biotech | G1003 | |
| Precision Plus Protein Kaleidoscope Standard | Bio-Rad | 161-0375 | |
| Immun-Blot PVDF membrane | Bio-Rad | 162-0177 | |
| Blotting grade blocker non-fat dry milk | Bio-Rad | 170-6404XTU | |
| Anti-actin antibody produced in rabbit | Sigma-Aldrich | A2066 | |
| BM Chemiluminescence Western Blotting kit (mouse/rabbit) | Roche Applied Science | 11520709001 | |
| RIPA buffer | Sigma-Aldrich | R0278 | |
| NiTi (51% Ni, 49% Ti) | Alfa-Aesar | 44953 | |
| Equipment | |||
| Horiba JobinYvon | Raman spectrometer | Dilor XY 98 | |
| Nikon | Confocal microscope | Eclipse TI microscope | |
| Thermoscientific | Plate reader | ||
| Bio-Rad | Power supply | 164-5050 | PowerPac basic power supply |
| Bio-Rad | Electrophoresis cell | 165-8004 | Mini-PROTEAN tetra cell |
| Bio-Rad | Gel holder cassette | 170-3931 | Mini gel holder cassette |
References
- Roy, R. K., Lee, K. -. R. Biomedical applications of diamond-like carbon coatings: A review. Journal of Biomedical Materials Research Part B-Applied Biomaterials. 83 B (1), 72-84 (2007).
- Shah, A. K., Sinha, R. K., Hickok, N. J., Tuan, R. S. High-resolution morphometric analysis of human osteoblastic cell adhesion on clinically relevant orthopedic alloys. Bone. 24 (5), 499-506 (1999).
- Huang, N., Yang, P., Leng, Y. X., Chen, J. Y., Sun, H., Wang, J., Wang, G. J., Ding, P. D., Xi, T. F., Leng, Y. Hemocompatibility of titanium oxide films. Biomaterials. 24 (13), 2177-2187 (2003).
- Gutensohn, K., Beythien, C., Bau, J., Fenner, T., Grewe, P., Koester, R., Padmanaban, K., Kuehnl, P. In vitro analyses of diamond-like carbon coated stents: Reduction of metal ion release, platelet activation, and thrombogenicity. Thrombosis Research. 99 (6), 577-585 (2000).
- Gillespie, W. J., Frampton, C. M. A., Henderson, R. J., Ryan, P. M. The Incidence of Cancer Following Total Hip-Replacement. Journal of Bone and Joint Surgery-British Volume. 70 (4), 539-542 (1988).
- Sperling, C., Schweiss, R. B., Streller, U., Werner, C. In vitro hemocompatibility of self-assembled monolayers displaying various functional groups. Biomaterials. 26 (33), 6547-6557 (2005).
- Mikhalovska, L. I., Santin, M., Denyer, S. P., Lloyd, A. W., Teer, D. G., Field, S., Mikhalovsky, S. Fibrinogen adsorption and platelet adhesion to metal and carbon coatings. Thrombosis and Haemostasis. 92 (5), 1032-1039 (2004).
- Airoldi, F., Colombo, A., Tavano, D., Stankovic, G., Klugmann, S., Paolillo, V., Bonizzoni, E., Briguori, C., Carlino, M., Montorfano, M., Liistro, F., Castelli, A., Ferrari, A., Sgura, F., Mario, C. D. i. Comparison of diamond-like carbon-coated stents versus uncoated stainless steel stents in coronary artery disease. American Journal of Cardiology. 93 (4), 474-477 (2004).
- Allen, M., Myer, B., Rushton, N. In vitro and in vivo investigations into the biocompatibility of diamond-like carbon (DLC) coatings for orthopedic applications. Journal of Biomedical Materials Research. 58 (3), 319-328 (2001).
- Butter, R., Allen, M., Chandra, L., Lettington, A. H., Rushton, N. . In-vitro Studies of DLC Coatings with Silicon Intermediate Layer. Diamond and Related Materials. 4 (5-6), 857-861 (1995).
- Dearnaley, G., Arps, J. H. Biomedical applications of diamond-like carbon (DLC) coatings: A review. Surface & Coatings Technology. 200 (7), 2518-2524 (2005).
- Dorner-Reisel, A., Schurer, C., Nischan, C., Seidel, O., Muller, E. Diamond-like carbon: alteration of the biological acceptance due to Ca-O incorporation. Thin Solid Films. 420, 263-268 (2002).
- Dowling, D. P., Kola, P. V., Donnelly, K., Kelly, T. C., Brumitt, K., Lloyd, L., Eloy, R., Therin, M., Weill, N. Evaluation of diamond-like carbon-coated orthopaedic implants. Diamond and Related Materials. 6 (2-4), 390-393 (1997).
- Grill, A. Diamond-like carbon coatings as biocompatible materials – an overview. Diamond and Related Materials. 12 (2), 166-170 (2003).
- Hauert, R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials. 12 (3-7), 583-589 (2003).
- Windecker, S., Mayer, I., De Pasquale, G., Maier, W., Dirsch, O., De Groot, P., Wu, Y. P., Noll, G., Leskosek, B., Meier, B., Hess, O. M. Working Grp Novel Surface, C., Stent coating with titanium-nitride-oxide for reduction of neointimal hyperplasia. Circulation. 104 (8), 928-933 (2001).
- Zhang, F., Zheng, Z. H., Chen, Y., Liu, X. G., Chen, A. Q., Jiang, Z. B. In vivo investigation of blood compatibility of titanium oxide films. Journal of Biomedical Materials Research. 42 (1), 128-133 (1998).
- Bolz, A., Schaldach, M. Artificial-Heart Valves – Improved Blood Compatibility By PECVD a-SiC-H COATING. Artificial Organs. 14 (4), 260-269 (1990).
- Haude, M., Konorza, T. F. M., Kalnins, U., Erglis, A., Saunamaki, K., Glogar, H. D., Grube, E., Gil, R., Serra, A., Richardt, H. G., Sick, P., Erbel, R., Invest, C. T. Heparin-coated stent placement for the treatment of stenoses in small coronary arteries of symptomatic patients. Circulation. 107 (9), 1265-1270 (2003).
- Suggs, L. J., Shive, M. S., Garcia, C. A., Anderson, J. M., Mikos, A. G. In vitro cytotoxicity and in vivo biocompatibility of poly(propylene fumarate-co-ethylene glycol) hydrogels. Journal of Biomedical Materials Research. 46 (1), 22-32 (1999).
- Clarotti, G., Schue, F., Sledz, J., Benaoumar, A. A., Geckeler, K. E., Orsetti, A., Paleirac, G. Modification of the biocompatible and haemocompatible properties of polymer substrates by plasma-deposited fluorocarbon coatings. Biomaterials. 13 (12), 832-840 (1992).
- Gombotz, W. R., Guanghui, W., Horbett, T. A., Hoffman, A. S. Protein adsorption to poly(ethylene oxide) surfaces. Journal of Biomedical Materials Research. 25 (12), 1547-1562 (1991).
- Ishihara, K., Fukumoto, K., Iwasaki, Y., Nakabayashi, N. Modification of polysulfone with phospholipid polymer for improvement of the blood compatibility. Part 2. Protein adsorption and platelet adhesion. Biomaterials. 20 (17), 1553-1559 (1999).
- Jung, N., Kim, B., Crowther, A. C., Kim, N., Nuckolls, C., Brus, L. Optical Reflectivity and Raman Scattering in Few-Layer-Thick Graphene Highly Doped by K and Rb. ACS Nano. 5 (7), 5708-5716 (2011).
- Rao, A. M., Eklund, P. C., Bandow, S., Thess, A., Smalley, R. E. Evidence for charge transfer in doped carbon nanotube bundles from Raman scattering. Nature. 388 (6639), 257-259 (1997).
- Bunch, J. S., Verbridge, S. S., Alden, J. S., vander Zande, A. M., Parpia, J. M., Craighead, H. G., McEuen, P. L. Impermeable atomic membranes from graphene sheets. Nano Letters. 8 (8), 2458-2462 (2008).
- Chen, S., Brown, L., Levendorf, M., Cai, W., Ju, S. -. Y., Edgeworth, J., Li, X., Magnuson, C. W., Velamakanni, A., Piner, R. D., Kang, J., Park, J., Ruoff, R. S. Oxidation Resistance of Graphene-Coated Cu and Cu/Ni Alloy. Acs Nano. 5 (2), 1321-1327 (2011).
